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满足工业4.0和智能制造要求的通信技术和规范的发展

作者:PLCopen中国组织,上海工业自动化仪表研院 彭瑜 文章来源:MM《现代制造》 点击数:1015 发布时间:2016-12-28
传统的网络结构难以全面满足工业4.0和智能制造大环境下企业、通信载体(运营商)和最终用户的要求。这在很大程度上是因为在数字通信联网发展的过程中,为了高性能、可靠地解决某个特定领域的通信问题...
满足工业4.0和智能制造要求的通信技术和规范的发展

PLCopen中国组织,上海工业自动化仪表研院  彭瑜

传统网络的弊病和局限

传统的网络结构难以全面满足工业4.0和智能制造大环境下企业、通信载体(运营商)和最终用户的要求。这在很大程度上是因为在数字通信联网发展的过程中,为了高性能、可靠地解决某个特定领域的通信问题,定义了许多相互难以兼容的技术和通信协议。而这些协议又继承了不同的技术源头,还需要对联网通信的成本加以考虑。现在回过头来看,明显的问题出在:①这些协议都倾向于将问题隔离起来,就事论事解决当时所要解决的通信问题。②在当时的技术发展方法论上,完全没有意识到基本的抽象将会带来的利益。③传统网络结构缺乏对网络规模的掌控能力,远不能满足今天网络流量控制方式必须是不可预测且极度动态的要求。这是因为随着要采集的数据越来越多,建立了越来越多的数据中心,还出现了虚拟化的数据中心。可是传统网络结构只能在网络流量不能满足要求时,通过扩大网络的方式去解决问题,于是一方面需要对成百上千的网络设备进行组态,另方面网络只能按照预测的流量控制模式运行。④传统网络结构十分依赖于制造商,当企业和通信运营商想利用新性能服务,以快速响应变化中的业务需求或用户的需要,他们只能去求助于制造商。而制造商要提供适应这些要求的设备或许要好几年的时间,根本跟不上变化。

显而易见,要将那么多用适于各个领域的通信设备联成网络,把数据送给主系统,使问题变得十分复杂。如何把不同的网速、不同的通信距离、不同的拓扑结构的网络可靠的连接,如何将原来的网络的静态特性改造为今天服务环境所需要的网络的动态特性,成了难解的事情。

传统网络结构的策略不一致,导致为联网必须对成千成万万的网络设备进行组态。这使大规模的联网实在是复杂至极。充分利用移动通信设备、服务的虚拟化和云服务的出现,这要求重新审视传统网络结构。

传统的网络结构基本上是多级的分层递阶系统,采用以太网交换器构成树形结构。这种静态结构的设计能满足客户端-服务器计算方式占主要地位的应用,但面对今天企业对信息的处理和存贮要求变成动态的时候,这种网络结构就完全不适应了。

新型网络结构的特点和基本特性

由上所述显而易见,实现工业4.0、智慧工厂和智能制造,必须建立在一类包括实时控制和及时监控在内的、强有力的联网技术和规范的基础上。这类联网技术和规范可以在一定程度上继承原有的联网技术和规范,但更重要的是一定要突破原有技术和规范的局限和明显不能满足实现工业4.0、智慧工厂和智能制造的架构和思维。

图2  分散型服务支撑智慧制造系统

新的网络结构必须具有以下特点:流量控制方式必须是动态的;信息技术必须是“客制化”的,按用户要求配置智能提升云服务的能力;应对大数据的挑战,意味着网络需要更多的带宽。

按照智慧制造系统的功能要求,智能功能可以划分为分散智能和集中智能两类(见图3)。这两类智能对通信的要求是不同的。从时间响应看

– 分散智能:在1微秒至几个毫秒

– 集中智能:在几个毫秒至10秒

从应用场合上看

– 分散智能:现场、控制、机械装备

– 集中智能:机械装备、工段或生产线、工厂、……

也就是说,分散智能要求实时通信,需要保证功能安全,主要应用于状态监控和实时控制;集中智能要求信息安全,采用OPC UA,集中智能主要应用性能优化、大数据分析、……

图3  分散智能和集中智能

智慧制造要求打破多层递阶的信息流

在传统的控制架构中数据的请求或是事件驱动、或是循环发送,这都是响应上一级设备或软件系统的请求,下一级则总是充当服务者或响应者。譬如HMI可向PLC请求发送其状态,或者向PLC下达一个新的生产配方。完成的过程往往是将传感器的电信号转换位数字形式,然后由PLC赋以时间戳,再把信息传送至MES IT层,以进一步提供相关服务。在工业4.0的环境中,多层级的严格分隔和信息流的自上而下的方法将会软化和混合。在一个智能的网络中,每个设备或者每个服务都能自动的起动与其他服务的通信。传感器、测量仪表、RFID芯片、PLC、HMI、MES和ERP系统所有这些设备和软测量仪表资产,都为企业提供重要的生产数据。

智慧制造系统有三类通信:B2B、B2M和M2M。B2B和B2M属于软实时通信其时间响应在毫秒级至几分钟之间。M2M属于硬实时通信,时间相应在微秒至毫秒之间。德国工业4.0的WG2执行委员会精确定义了三类通信事务:

1、 B2B通信两类业务过程相互通信。信息交换所需时间由几个毫秒到几分钟。例如:ERP应用与MES应用的信息交换;HMI和MES见的信息交换;MES与另一MES的信息交换;或者传感器与云的交换。

2、 B2M通信软实时过程与硬实时过程通信。所需的交换时间由几毫秒到几分钟。例如:业务应用过程与机械装备间的信息交换HMI与PLC,MES与PLC的信息交换。

3、 M2M通信在自动化环境下两个过程的通信,这些过程可以是硬实时过程与硬实时过程的通信,也可以是软实时过程与硬实时过程的通信。例如:一个机器人平台控制器与一个手持式机器人控制器之间的横向通信。其交换信息的时间由微秒至几个毫秒,必须发生在硬实时、且为确定性的循环内。也可以把确定性看成是具有一定时间要求的QoS(服务质量),即在一个有保证的时间间隔(如100微妙)完成响应。另一个例子是两个控制器之间的横向通信(软实时的快速、循环、独立于现场总线的通信)。已经实现运用无线移动通信完成M2M,这里是指一个设备的接口(即装载设备上的SIM卡)通过移动通信与某个IT过程进行通信。

全新的网络规范—软件定义联网

从目前网络通信技术的发展来看,能够满足智慧制造系统通信要求可能有两种解决方案,即软件定义联网和OPC UA。

先看软件定义联网。能不能采用一种全新的思维摒弃传统的通信结构,建立一种网络结构使得:对多个供应商提供的网络设备进行集中管理和控制;网络大小规模便于各种应用剪裁,与供应商无关;用一种公共的API (应用程序编程接口,Application Programming Interface)对底层的联网的细节从其精心的设计安排中抽象出来,提供给系统和应用。用这种方式改善网络的管理和自动化。通过提供新的网络性能和服务达到创新,而无需对单个网络设备进行组态,或等待供应商的改进。近年来成立的开放联网基金会ONF(Open Networking Foundation),提出了软件定义联网SDN(Software-Defined Networking)就是为了建立一种新网络结构。开放联网基金会ONF提出的软件定义网络SDN,并发布了控制数据层接口的规范OpenFlow,实现了将联网设备与网络服务解耦。

图4  软件定义联网的网络架构

为了适应智能制造和智慧工厂的需求,当前工业网络正面临加速由现场总线向工业以太网转型、由单一功能的通信总线向多功能通信演进、由缺乏网络管理向智能网管发展的趋势。

看起来能够综合各方面要求的解决方案,非软件定义工业网络莫属。也就是说,利用软件定义网络的基本理念和实施规范来开发软件定义工业网络,是工业网络技术的创新突破的方向。

美国CISCO正在发展的一种软件定义工业网络的架构(图5)。图中SDN控制器中的标准工程服务通过OnePK、OpenFlow、CLI或SNMP等中间件转换为右下部的各种IT资产的运行数据;SDN控制器中的OT服务通过各种工业通信网络(如CIP、Ethernet/IP和Profinet)与图中右中部的各种OT资产相连接;图中右上部的OT网络管理中心与SDN控制器中的OT应用程序的链接,则是通过CIP、RESTFUL API等进行。

图5  CISCO开发的软件定义工业联网架构

在SDN中,运用被称之为表达状态转移(Representation State Transfer)的互联网技术RESTFUL API,作为支持系统和应用之间标准接口的架构。这样便可允许控制设备的供应商独立的编写应用程序而又能在SDN中协调的运行。控制工程师则可以运用这个软件来定义其控制应用(甚至把也包括定义网络通信的端口)。

说的更清楚一些,也就是在软件定义联网的设计中,控制工程师可以像在编制PLC程序时控制某台驱动器运行或停止,并发出以什么速度运转的指令那样,让SDN控制器发出信息指示交换器和路由器的那个端口开启,数据如何流动等等。

SDN控制器控制应用程序的基本原理如下:以太网交换器内装有SDN应用程序接口(API),这样SDN控制器就能够通过数据来控制应用程序(譬如SDN控制器发送对PLC和其它工业设备运行的组态数据,让以太网交换器打开PLC I/O数据通往数据面板端口)。当然,也可以通过SDN控制器发送相关数据,让两个端口之间还可以提供反馈信息,为网络和相互连接的各种设备建立一种控制回路的潜在机会。图6中SDN控制器通过北API向PLC组态平台发布命令,让它经由工业通信协议把PLC的I/O数据通过工业通信网往发往数据面板。与此同时,SDN控制器还经过南API通知以太网交换器打开相应端口。

网络节点间的通信

PLCopen和OPC UA的联合解决方案

工业4.0和工业物联网的基本概念要求在设备和服务之间建立高度融合的网络化和通信。高速而且动态的生产显然需要适当的联网和通信支持,以满足从传感器到企业IT管理的实时和即时的交换,且一定是通信方之间直接进行。目前用于PC控制的对应协议标准可以满足这一任务。开发一种能满足面向服务架构SOA(service-oriented architecture)的PLC也是实现工业4.0和工业物联网的一种现实途径。PLC提供互联网服务、进行数据存取并不是新概念,但把SOA和PLC结合,或许就会为智能制造、工业4.0和工业物联网大大提升附加值。

ISA 95是由美国ISA学会开发的企业信息集成系列标准,现在已被IEC和ISO接受为国际标准(IEC/ISO 62264)。而B2MML是这个系列标准的XML实现。 B2MML包括一系列用W3C的XML语言XML格式规范。美国的ISA学会又与OPC基金会合作开发基于B2MML接口标准的OPC UA/ISA 95伙伴规范。这样,过去控制工程师使用OPC UA对象进行控制层、MES层和ERP层之间的通信碰到的难题,如在处理关键数据的存取时,如何在制造运营管理(MOM)系统的高速要求与企业信息系统的慢速而又随机存取的要求之间构筑一种顺畅通达的桥梁,成为可能而又可行。

图6  用SDN控制器的应用程序控制

多年来PLCopen一直坚持与开放标准化组织合作建立一种开放标准的生态系统。譬如与OPC基金会合作开发IEC 61131-3的信息模型(2010.5发布),IEC 61131-3 的OPC UA Client FB客户端功能块规范(2015.3发布),IEC 61131-3的OPC UA Server FB服务端功能块规范(2015.3发布)。其实在正式发布这些规范之前,类似的方法和技术已经成功的应用于包装行业建立PackML系列规范(由美国ISA学会属下的OMAC专业委员会开发),大大简化了包装机械与上位生产管理系统的通信。

这些标准提升了如今广泛运用于计算技术行业的SOA面向服务的架构的应用范围;同时也推进了一度落后于计算技术和软件的自动化系统技术,快速跟上IT技术的进展。

运用PLCopen的OPC UA功能块,使由传智能感器、控制器与企业管理系统和生产调度执行系统之间的通信,与云端的通信,与互联网通信在可互操作行方面大为简化和改善。由图7得知,可通过功能块UA_Read的执行直接将数据从PLC读入MES/HMI,通过功能块UA_MethodCall的执行接将数据从PLC送入云端。图8给出调用OPC UA模块实施通信的过程,即准备:连接、指定连接地址、接通处理;通信处理;通信结束:结束处理、断开连接。

下面进一步分析为什么运用OPC UA能全面满足工业4.0和智慧制造系统对通信的要求呢?

针对工业4.0的要求:通信技术和方法与制造厂、使用范围、操作系统、编程语言无关;OPC UA的解决方案是:OPC基金会是独立于供应商的非盈利组织,成员可以是制造厂商,也可以是使用方;

图7  运用OPC UA的功能块进行数据通信

OPC UA广泛运用于自动化领域,也可以用于信息领域,它与使用范围无关;OPC UA可在所有的操作系统中运行,即使在芯片级没有操作系统也一样可以实现;OPC UA的实现可以使用任何编程语言,常用的有C语言(ANSI C/C+)、.NET和JAVA。

针对工业4.0的要求:联网集成的规模可根据需要任意剪裁,联网设备小至传感器、嵌入式设备、PLC、PC机及移动手机,大至大型主计算机、云系统,均可使用;还应完成各个层级的纵向集成和横向集成;OPC UA的解决方案是:OPC UA的最小实现只要求15KB存贮空间,目前流行的CPU结构(如Intel、ARM、PPC等)无论是单核还是多核硬件均可使用。OPC UA可用在各种嵌入式设备,譬如RFID读入器、协议转换器等等,实际上也可在任意控制器、SCADA/HMI产品、MES/ERP系统。在一些运用Amazon(亚马逊)云和微软Azure云的项目中已经成功的使用了OPC UA。

针对工业4.0的要求:在应用层面和用户侧,保证安全的传输和传输认证,OPC UA的解决方案是:在应用上,OPC UA采X509(非常通用的证书格式,所有的证书都符合ITU-T X.509国际标准)、Kerberos(为TCP/IP网络系统设计的可信的第三方认证协议)认证或用户/密码。采用符号传输和封装的传输,以及在堆栈中已经提供带审查功能性的、在数据点级别的权限。

图8  调用OPC UA模块实施通信的过程

针对工业4.0的要求:为表达实际产品及其生产步骤的虚拟对象的模型化(建模),要能映射任意复杂度的信息内容,OPC UA的解决方案是:OPC UA不但提供多级分层网络系统,而且也支持包括全网格化的网络,其全网络化和面向对象概念的命名空间,还支持对象描述的元数据。对象结构可经由相互间引用实例和其类型、类型模型(可通过继承加以扩展)得以生成。由于服务器携带它们的实例和类型系统,客户端可通过网络导航,得到它们需要的信息。即使是这些客户端以前未知类的信息型,一样可以得到。

针对工业4.0的要求:在智能网络化的结构/基本部件的组合中,应提供自组织的参与网络的性能。也就是说,具备即插即产生的功能,使那些未经计划的自组织的通信可以进行。即插即产生的功能具有存取数据的描述和所能提供的服务功能的描述。OPC UA的解决方案是:OPC UA定义了不同的发现机制,使其能识别在子网中那些具有OPC UA通信能力的设备及其功能/特性。通过子网的集结和智能的、无需组态的的步骤和程序(如Zeroconf),可以识别网络新参与者及其地址。

结论

(1) 传统网络结构的局限和缺陷阻碍智慧工厂、智慧制造系统、工业4.0的实施。需要建立一种除实时控制和功能安全控制仍然安排在现场层之外,其他所有的通信服务都是扁平化的踏通信结构。

(2) 在选择满足这样的网络结构的解决方案时,首先要考虑的是保留近十几二十年来企业和工厂的通信资产和软件资产。从现有的发展状况来看,软件定义工业联网SDN和OPC UA这两种解决方案是较为理想的。

(3) 软件定义联网特别适合把企业和工厂的IT数据中心和OT数据中心融合为OT/IT的运营管理系统。

(4) 根据目前技术发展的成熟度来看,OPC UA应该是近期已获得足够实践效果,远期也能广泛运用的通信技术。在今后工业通信方向上基于IP的通信绝对是占主要地位,因此OPC UA优势明显。特别是在垂直集成方面,由于OPC基金会与各种工业行业组织的合作十分有效,其不同层次间的语义可互操作性的发展潜力可期。

(5) 传统的现场总线和工业以太网在现场实时控制和功能安全控制的作用是不可替代的。完全可以运用OPC UA和软件定义工业联网SDN来扩展其满足智慧制造、工业4.0所要求的通信功能。